PENGARUH KOMBINASI MEDIA SUMBER KARBON (DEDAK : TAPIOKA) DAN SUMBER NITROGEN PADA KULTIVASI MEDIA PADAT PRODUKSI ENZIM GLUKOAMILASE

(1)

PROSIDING

SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

PENGARUH KOMBINASI MEDIA SUMBER KARBON (DEDAK :

TAPIOKA) DAN SUMBER NITROGEN PADA KULTIVASI MEDIA

PADAT PRODUKSI ENZIM GLUKOAMILASE

Rofiq Sunaryanto

Balai Pengkajian Bioteknologi BPP Teknologi Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang Banten 16314

Phone :021-7560562 ext.1547 Fax.021-7560208 e-mail ; rofiqsn@yahoo.com

Abstrak

Telah dilakukan optimalisasi media padat proses produksi enzim glukoamilase dengan menggunakan isolat lokal Aspergillus niger BCS. Optimalisasi media padat dilakukan dengan mengkombinasi perbandingan jumlah dedak:pati serta melakukan variasi sumber. Pada percobaan ini sumber nitrogen anorganik yang digunakan adalah amonium nitrat, amonium sulfat, dan amonium pospat, sumber nitrogen organik yang digunakan adalah Corn Step Liquor (CSL) dan pepton. Dari hasil percobaan menunjukkan bahwa kombinasi perbandingan media sumber karbon dedak:pati 1:1 menghasilkan aktivitas enzim glukoamilase tertinggi yaitu 724 Unit/ml. Amonium sulfat merupakan sumber nitrogen anorganik terbaik, dan mampu menghasilkan aktivitas glukoamilase sebesar 823 Unit/ml, Corn Step Liquor (CSL) mampu menghasilkan aktivitas enzim glukoamilase lebih tinggi dibandingkan pepton yang merupakan sumber nitrogen organik. Dengan media sumber nitrogen CSL mampu menghasilkan aktivitas glukoamilase sebesar 884 Unit/ml.

Kata kunci: Aspergillus niger BCS, glukoamilase, sumber karbon, sumber nitrogen

Pendahuluan

Indonesia banyak memiliki kekayaan alam produk agroindustri jenis bahan yang berpati-patian misalnya ubi kayu, ubi jalar, jagung, sagu, dan lain sebagainya. Ubi kayu merupakan tanaman pangan yang murah dan potensial dikembangkan di Indonesia. Produk ubi kayu pada tahun 1997 mencapai 15.1 juta ton (Biro Pusat Statistik, 1997). Ubi kayu selain dimanfaatkan untuk bahan pangan juga diolah menjadi tapioka. Pengembangan secara enzimatis pada bahan berpati tersebut diharapkan dapat meningkatkan nilai tambah. Bahan berpati termasuk pati ubi kayu sering digunakan sebagai substrat untuk memproduksi enzim golongan amilase. Selain produk agroindustri bahan yang berpati, di Indonesia juga banyak produk samping produk pertanian seperti onggok, bekatul, jerami dan lain sebagainya. Produk samping seperti ini juga dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku produk fermentasi, salah satunya untuk produksi enzim glukoamilase. Dedak padi sebagai hasil samping dari pengolahan beras giling terbukti dapat dipakai sebagai substrat pada fermentasi dengan menggunakan media padat (Pandey et.al., 1994). Pada penggilingan padi akan menghasilkan dedak kira-kira sebanyak 10% dari total bahan. Oleh karena itu, dedak padi sangat potensial untuk dikembangkan sebagai substrat pada fermentasi dengan menggunakan media padat. Dedak tersusun dari berbagai macam senyawa kimia. Selain kaya karbohidrat dan lemak, dedak juga banyak mengandung protein, vitamin, dan mineral. Vitamin yang terdapat dalam dedak adalah vitamin B dan vitamin E, sedangkan mineralnya berupa kalsium, kalium, fosfor, dan besi.

Walaupun potensi sumber alam Indonesia dan mikroorganisme sangat besar untuk industri enzim khususnya amilase, namun demikian sampai saat ini di Indonesia belum ada industri yang memproduksi enzim khususnya amilase. Sebagai negara yang banyak menghasilkan bahan berpati ( ubi kayu, sagu, dan lain-lain) dan kaya akan keanekaragaman mikroorganisme, Indonesia memiliki potensi untuk memproduksi amilase khususnya enzim glukoamilase.

Glukoamilase dapat diproduksi dalam skala industri melalui fermentasi kultur cair maupun fermentasi padat. Fermentasi dengan media cair maupun media padat mempunyai keunggulan dan kelemahan masing-masing. Dalam menjaga kondisi proses fermentasi sesuai dengan apa yang diinginkan seperti pH, aerasi, kehomogenan media, fermentasi dengan media cair lebih menguntungkan, tetapi biaya operasional

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK I-11-1

(2)

dan alat yang digunakan lebih mahal. Fermentasi dengan media padat mempunyai keunggulan lebih sederhana dalam pelaksanaannya, biaya operasional dan peralatan fermentasi lebih murah, tetapi untuk menjaga kondisi fermentasi sesuai dengan apa yang diinginkan seperti kehomogenan media, aerasi sangat sulit untuk dilakukan (Alazard dan Raimbault, 1981). Dalam aplikasinya fermentasi dengan media padat dapat memanfaatkan limbah pertanian seperti limbah teh (Selvakumar et al., 1996), limbah kopra (Pandey et

al.,1995), dan limbah dari proses pengolahan pati (Bojin et al.,1998 ; Pandey et al.,2000). Beberapa

parameter yang harus diperhatikan di dalam fermentasi media padat antara lain konsentrasi substrat, pH, kelembaban, suhu, dan produksi metabolit sekunder yang mungkin dapat menyebabkan kontaminasi (Pandey

et al., 2000). Fermentasi dengan media padat akan memberikan hasil yang lebih baik karena jumlah substrat

yang tersedia lebih banyak (20-50%), sehingga peranan substrat menjadi lebih nyata karena jumlah substrat yang perlu dihidrolisis lebih tinggi. Jumlah substrat yang tinggi akan menginduksi sintesis enzim-enzim ekstraselular hidrolitik yang diperlukan untuk mendegradasi substrat itu sendiri (Suhartono,1989). Menurut Tani et al. (1986) ; Ramadas et al. (1996) bahwa pada kondisi yang tepat produksi glukoamilase dengan menggunakan media padat, tiga kali lebih tinggi dibandingkan dengan fermentasi dengan media cair. Mikroorganisme yang sering dibiakkan pada proses fermentasi media padat adalah bakteri, khamir, dan kapang. Namun demikian kapang merupakan mikroorganisme yang paling banyak digunakan dalam proses ini.

Glukoamilase (EC 3.2.1.3) adalah enzim yang dapat mengkatalis reaksi hidrolisis amilum dan poli-atau oligosakarida lainnya menghasilkan glukosa (Ueda, 1988). Dengan kemampuan tersebut glukoamilase banyak digunakan dalam industri gula cair, dekstrosa, dan glukosa cair. Selain itu enzim ini juga banyak digunakan dalam industri farmasi, pembuatan minuman beralkohol, dan produksi sel tunggal (Lonsane & Ghildyal, 1992).

Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan kombinasi media yang optimum campuran dedak:pati dan menentukan sumber nitrogen yang paling cocok untuk produksi enzim glukoamilase.

Metode penelitian.

Kombinasi Campuran Dedak:Tapioka Untuk Produksi Enzim Glukoamilase

Substrat yang digunakan dalam penelitian ini komposisinya mengacu pada komposisi yang digunakan oleh Tani et.al (1986) yang dimodifikasi. Komposisinya sebagai berikut ; A g tapioka , B g dedak , 1,67 g MgSO47H2O, 3,52 g Ca(NO3)2, dan 37 ml air. Besarnya A dan B adalah menurut perlakuan yang

akan dilakukan yaitu perbandingan dedak:tapioka (1:1), (1:2), (1:3), (2:1), dan (3:1) dengan berat total dedak dan tapioka sebesar 57,82 gram. Semua medium fermentasi dalam toples disterilisasi dengan autoklaf pada suhu 1210C selama 15 menit. Fermentasi dilakukan dalam toples yang bervolume satu liter dengan kondisi aerobik selama 120 jam pada suhu 300C.

Penentuan Pengaruh Sumber Nitrogen Terhadap Produktifitas Enzim Glukoamilase.

Setelah diperoleh hasil campuran dedak:tapioka terbaik maka komposisi campuran tersebut digunakan untuk penentuan pengaruh penambahan sumber nitrogen. Sumber nitrogen yang digunakan adalah sumber nitrogen organik ; amonium sulfat, amonium nitrat, amonium pospat, dan sumber nitrogen organik ;

Corn StepLliquor dan Pepton. Jumlah sumber nitrogen yang ditambahkan sebanyak 1% b/b untuk setiap

media.

Metode Analisis Enzim Glukoamilase

Dalam satu toples media hasil fermentasi diekstraksi dengan bufer asetat pH 4.6 selama 1 jam. Selanjutnya disaring dengan kertas saring. Filtrat enzim yang diperoleh diukur aktivitas amilase. Pengukuran aktivitas enzim adalah sebagai berikut ;

Filtrat enzim hasil ekstraksi diencerkan menggunakan bufer asetat pH 4,6 dengan faktor pengenceran (fp) kali. Sebanyak 1,9 ml soluble starch sebagai substrat (Vsb) dicampur 0.1 ml larutan contoh (Vc). Kemudian diinkubasi selama 20 menit (t) pada suhu 600 C. Setelah inkubasi selesai dilakukan pemanasan dengan air mendidih selama 5 menit. Hal yang sama dilakukan untuk larutan blangko, hanya saja larutan sampel dipanaskan terlebih dahulu sebelum dicampur dengan substrat. Kemudian diukur gula reduksinya (Cgr) dengan metode somogy, dimana berat molekul glukosa (BM) adalah 180. Perhitungan aktivitasnya di sajikan dalam persamaan 1. Satu unit enzim (A) didefinisikan sebagai banyaknya µmol glukosa yang dihasilkan dari hidrolisis soluble starch akibat aktivitas enzim per menit pada kondisi percobaan.

(3)

A= Cgr x (Vc + Vsb) x fp ……….(1)

BM x t x Vc

Hasil dan Pembahasan

Penentuan Kombinasi Campuran Dedak:Tapioka Sebagai Sumber Karbon

Perbandingan dedak:tapioka akan sangat menentukan produktivitas Aspergillus niger dalam menghasilkan glukoamilase. Dalam penelitian ini perbandingan dedak:tapioka yang digunakan adalah 1:1, 1:2, 1:3, 2:1, dan 3:1. Hasil analisis ragam menunjukkan variasi komposisi dedak:tapioka berpengaruh terhadap aktivitas glukoamilase. Setelah dilakukan uji lanjut Duncan dengan taraf nyata α (0,05) ternyata media dedak:tapioka (1:1) menunjukkan aktivitas glukoamilase tertinggi, yaitu sebesar 724 U/ml, kemudian diikuti oleh media dedak:tapioka (1:2), (2:1), (1:3) dan (3:1). Media dedak:tapioka (1:1) menunjukkan aktivitas glukoamilase yang berbeda nyata dibandingkan perlakuan lainnya. Menurut Tani et al. (1986) tapioka merupakan media yang baik untuk produksi glukoamilase, dimana tapioka mengandung ikatan glikosida α,1,4 –D-Glikosidik (baik amilosa maupun amilopektin) yang dapat menginduksi Aspergillus niger untuk mensekresi glukoamilase. Namun demikian pada komposisi media yang terlalu banyak tapioka ternyata menimbulkan permasalahan pada sifat fisik media. Media menjadi kental dan lengket. Permasalahan ini dapat dikurangi dengan menambahkan dedak. Disamping memperbaiki sifat fisik media, dedak juga kaya akan protein. Hasil analisis proksimat menunjukkan dedak mengandung 13,65% (b/b) protein. Dengan demikian kombinasi media dedak:tapioka akan menghasilkan komposisi media yang saling melengkapi. Komposisi media dedak:tapioka (1:1) menunjukkan sifat fisik media yang cenderung berbentuk granula, sehingga proses difusi oksigen ke dalam media berjalan dengan lancar. Pertumbuhan biomassa Aspergiilus

niger BCS pada media dedak:tapioka (1:1) terlihat lebih cepat dan sporulasi terjadi pada hari ke 4. Lain

halnya dengan media dedak:tapioka (1:2) dan (2:1), sporulasi terlihat lebih awal, yaitu pada hari ke 2. Pembentukan spora mengisyaratkan bahwa sel-sel kapang berubah menjadi sel-sel resisten yang bersifat dorman. Pada fase ini proses metabolisme kapang akan menjadi minimal dan sekresi glukoamilase terhenti. Sporulasi kapang juga berkaitan dengan respon terhadap lingkungan yang tidak menguntungkan yang dapat disebabkan oleh kekurangan substrat, perubahan suhu, kelembaban atau perubahan pH (Alexopoulos et

al.,1996).Aktivitas glukoamilase yang dihasilkan dengan variasi dedak dan tapioka disajikan dalam Gambar

1. 470 620 724 643 520 200 300 400 500 600 700 800 03:01 02:01 01:01 01:02 01:03 Perbandingan Dedak:Tapioka Akt.Glukoamilase (U/ml)

Gambar 1. Aktivitas glukoamilase yang dihasilkan dengan variasi dedak dan tapioka.

Gambar 1. menunjukkan bahwa peningkatan rasio tapioka terhadap dedak mampu memperbaiki aktivitas glukoamilase sampai dengan rasio satu. Namun demikian pada rasio tapioka lebih tinggi dari satu justru menurunkan aktivitas glukoamilase. Penurunan aktivitas glukoamilase pada rasio tapioka terhadap

(4)

dedak lebih dari satu yaitu dedak:pati (1:2) dan (1:3) diduga dipengaruhi oleh dua faktor. Pertama, penurunan aktivitas diakibatkan oleh kondisi media yang kental dan lengket. Proses gelatinisasi pati akan mengakibatkan massa menjadi lengket dan viscous, sehingga porositasnya menjadi kecil dan menghambat proses difusi oksigen ke dalam media, akibatnya kapang akan sulit tumbuh akibat gelatinisasi pati. Kedua, penurunan aktivitas glukoamilase dipengaruhi oleh penghambatan substrat, dalam hal ini substrat tapioka. Pada substrat yang berlebih memungkinkan terjadi penghambatan yang menyebabkan proses sekresi glukoamilase menjadi terganggu.

Pengaruh Sumber Nitrogen Terhadap Produktivitas Enzim Glukoamilase

Kombinasi campuran dedak:pati (1:1) hasil dari percobaan sebelumnya digunakan sebagai media kontrol (tanpa perlakuan penambahan sumber nitrogen). Sumber nitrogen anorganik yang ditambahkan dalam media perlakuan meliputi amonium sulfat, amonium pospat, dan amonium nitrat (Gambar 2).

500 550 600 650 700 750 800 850 40 60 80 100 120

Lama Fermentasi (Jam)

Akt.Glukoamilase (U/ml)

Am.Sulfat Am.nitrat Am.pospat Kontrol

Gambar 2. Efek sumber nitrogen anorganik (konsentrasi 1% b/b) terhadap produktivitas enzim glukoamilase

Dari gambar 2 menunjukkan bahwa sumber nitrogen anorganik secara keseluruhan memiliki pengaruh terhadap produktivitas enzim glukoamilase, terbukti dari ketiga macam sumber nitrogen anorganik, semuanya mampu menaikkan produktivitas glukoamilase jika dibandingkan dengan kontrol (tanpa penambahan sumber nitrogen). Dilihat dari kandungan sumber nitrogen media kontrol sebenarnya media tersebut sudah mengandung sumber nitrogen dari dedak, namun demikian kandungan nitrogen dedak belum mencukupi untuk kebutuhan metabolisme dalam sel mikroba. Dari percobaan terlihat bahwa dengan menambahkan sumber nitrogen ke dalam media dapat mempercepat pertumbuhan biomassa, terlihat pada hari pertama fermentasi miselia kapang telah mulai terlihat lebih banyak dibandingkan kontrol. Setelah diuji aktivitas glukoamilase pada hari ke 3 ternyata aktivitas glukoamilase dengan penambahan sumber anorganik terlihat lebih tinggi.

Dari ketiga sumber nitrogen anorganik yang digunakan ternyata menghasilkan aktivitas glukoamilase yang berbeda-beda. Sumber nitrogen amonium sulfat menghasilkan aktivitas glukoamilase paling tinggi, yaitu 823 U/ml, selanjutnya diikuti amonium pospat dan amonium nitrat berturut-turut sebesar 799 dan 786 U/ml. Sebagai standar pembanding digunakan kontrol tanpa diberikan sumber nitrogen, ternyata menghasilkan aktivitas glukoamilase sebesar 730 U/ml.

Sumber nitrogen lain yang digunakan dalam percobaan ini adalah sumber nitrogen organik. Pada percobaan ini digunakan Corn Step Liquor (CSL) dan pepton. Gambar 3 menunjukkan efek sumber nitrogen CSL dan pepton terhadap produktivitas enzim glukoamilase. Dari kedua sumber nitrogen organik yang digunakan ternyata menghasilkan produktivitas enzim glukoamilase yang lebih besar dibandingkan sumber nitrogen anorganik. Diduga hal ini disebabkan karena di dalam sumber nitrogen organik terdapat nutrien lainnya selain sumber nitrogen itu sendiri yang dibutuhkan. Diketahui bahwa CSL maupun pepton merupakan campuran beberapa asam amino dan mineral lainnya. Namun demikian sumber nitrogen organik bukan termasuk dalam media yang definitif jumlahnya seperti halnya sumber nitrogen anorganik, sehingga untuk menentukan pengaruh yang sebenarnya di dalam komposisi sumber nitrogen tersebut (CSL, Pepton)

(5)

mengalami kesulitan, sehingga untuk dapat mengetahui pengaruh di dalam komposisi CSL dan pepton terhadap produktivitas enzim glukoamilase diperlukan kajian tersendiri.

Dari gambar 3 menunjukkan bahwa produktivitas enzim glukoamilase pada media dengan CSL ternyata lebih tinggi dibandingkan dengan media dengan campuran pepton yaitu sebesar 884 U/ml dan campuran pepton menghasilkan 830 U/ml. Jika dibandingkan dengan media kontrol ternyata kedua sumber nitrogen ini memiliki pengaruh yang signifikan terhadap produktifitas enzim glukoamilase.

500 550 600 650 700 750 800 850 900 40 60 80 100 120

Lama Fermentasi (Jam)

Akt. Glukoamilase (U/ml

CSL Pepton Kontrol

Gambar 2. Efek sumber nitrogen organik (konsentrasi 1% b/b) terhadap produktivitas enzim glukoamilase

Kesimpulan.

Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa ;

• Aktivitas glukoamilase dapat ditingkatkan dengan memperbaiki komposisi sumber karbon (dedak:tapioka) dan kadar air awal dalam media. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kombinasi variasi (dedak:tapioka) 1:1 menghasilkan aktivitas glukoamilase yang lebih tinggi dibandingkan empat jenis perlakuan lainnya.

• Secara keseluruhan sumber nitrogen yang digunakan di dalam penelitian ini menunjukkan bahwa konsentrasi 15%(b/b) Corn Step Liquor yang termasuk dalam sumber nitrogen organik menghasilkan produktivitas enzim glukoamilase yang tertinggi dengan aktivitas sebesar 884 U/ml.

Daftar Pustaka.

Biro Pusat Statistik.199,.”Statistika Industri Besar dan Sedang Indonesia”. Statistical Year Book of Indonesia. Jakarta:BPS.

Alazard, D., Rainbault, M., 1981, “Comparative study of amylolytic enzym production by Aspergillus

niger in liquid and solid state cultivation”. , Appl.Microbiol.Biotechnol 12: 113-117.

Alexopolous, J.C., Mims, C.W., Blackwell, M., 1996,” Introductory Mycology”., New York: J Wiley.

(6)

Bojin., Hans, J.V.L., Patel, B., Doelle, H.W., Yu,Q., 1999, “Production of fungal protein and glucoamylase by Rhizopus oligosporus from starch processing wastewater”., J.Process Biochem 14: 59-65.

Lonsane, B.K., Ghilyal, N.P., 1992,” Exoenzymes. Di dalam Doelle HW, Mitchell DA, Rolz CE. editor.

Solid Substrated Cultivation”.,London Elsevier Applied Science

Pandey,A., Selvakumar, P., Ashakumary, L., 1994b, “Glucoamylase production by Aspergillus niger on rice brand is improved by adding nitrogen source”., World.J. Microbiol. Biotechnol 10:348-349. Pandey, A., Ashakumary,L., Selvakumar, P., 1995, “Copra waste a novel substrate for solid state

fermentation”., J.Bioresource Technol 65: 217-220.

Pandey, A., Carlos, R.S., David, M., 2000b.,” New developements in solid state fermentation bioprocesses and product”., J. Process Biochem 35: 1153-1169.

Ramadas, M., Holst, O., Mattiasson, B., 1996., “Production of amyloglucosidase by Aspergillus niger under different cultivation regimens”., World. J. Microbiol. Biotechnol 12:267-271.

Selvakumar, P., Ashakumary, L., Helen, A., Ashok, P., 1996., “ Purification and characterization of glucoamylase produced by Aspergillus niger in solid stated fermentation”., Letter in Appl. Microbiol 23:403-406.

Suhartono, M.T., 1989., “Enzim dan Bioteknologi”., PAU IPB Bogor.

Tani, Y., Vongsuvanlert, V., Kumnuanta, J., 1986., “ Raw cassava starch-digestive glucoamylase of

Aspergillus sp.n-2 isolated from cassava chips”., J.Ferment.Technol 64:405-410.

Ueda, S., 1988., “ Glukoamylase. Di dalam The Amylase Research Society of Japan .editor. Handbook of

Amylases and Related Enzymes : Their Sources, Isolation Methodes, Properties an Applications”., Oxford: Pergamon. Hlm 116-117.